2025. 3. 20. 오후 4:23:45
세종대, 2025 QS 학문분야 평가서 호텔경영학 세계 29위
출처: 한겨레 ( 한국 / 한국어 )
지구물리학
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1. 개요
지구물리학은 지구의 물리적 현상을 연구하는 학문으로, 물리학적 방법론을 사용하여 지구과학의 여러 분야에 기여한다. 측지학, 지진학, 화산학, 기상학, 해양물리학, 지구전자기학 등이 지구물리학의 세부 분야이며, 지구의 형태, 내부 구조, 자기장, 열, 지진파, 전자기 현상 등을 연구한다. 또한, 위성 및 우주 탐사, GPS, GIS, 원격 탐사 등 다양한 방법론을 활용하여 지구를 탐구하며, 고대부터 연구가 진행되어 온 유구한 역사를 가지고 있다.
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- 물리학 - 양자역학
양자역학은 20세기 초에 개발된 물리학 이론으로, 미시적인 계의 성질과 거동을 설명하며, 불확정성 원리, 파동-입자 이중성 등의 개념을 포함하고, 현대 기술과 현대 물리학에 중요한 영향을 미친다. - 물리학 - 광학
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측지학은 지구의 형상, 크기, 중력장 및 시간적 변화를 측정하고 연구하는 지구과학의 한 분야로, 고대 그리스어에서 유래되었으며 현대에는 GPS 등의 기술을 활용하여 지구 역학적 현상 연구에 기여한다. - 지구물리학 - 무역풍
무역풍은 지구의 위도권을 따라 동쪽에서 서쪽으로 부는 바람으로, 해들리 순환의 일부이며, 코리올리 효과로 북반구에서는 북동풍, 남반구에서는 남동풍으로 불며, 기상 및 생태계에 영향을 미친다.
| 지구물리학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 지구와 그 주변의 물리적 현상을 연구하는 학문 |
| 연구 대상 | 지구의 형태 지구의 중력장 지구의 자기장 지구의 내부 구조 지구의 구성 물질 지구의 역학 지진 화산 판 운동 해양 대기 우주 날씨 태양계 내 다른 천체들의 물리적 특성 |
| 학문 분야 | 측지학 중력학 지자기학 지진학 화산학 암석물리학 지구동력학 해양학 기상학 행성물리학 |
| 지구물리학의 세부 분야 | |
| 고체 지구물리학 | 지진학 중력학 지자기학 지각 변형 암석물리학 지구동력학 광물물리학 |
| 유체 지구물리학 | 해양학 기상학 빙하학 수문학 |
| 응용 지구물리학 | 탐사 지구물리학 공학 지구물리학 환경 지구물리학 고고학 지구물리학 |
| 지구물리학의 역사 | |
| 초기 연구 | 고대 그리스: 에라토스테네스의 지구 둘레 측정 중국: 지진 기록 기원전 1세기: 나침반 발명 |
| 17세기 | 윌리엄 길버트: 지구 자기장 연구 아이작 뉴턴: 중력 법칙 발견 |
| 18세기 | 측지학 발전 지구 모양에 대한 논쟁 |
| 19세기 | 지진계 발명 해저 전신 케이블 설치를 위한 해저 연구 |
| 20세기 | 판 구조론 정립 지진파를 이용한 지구 내부 연구 지구 자기장 역전 발견 우주 시대 진입으로 행성 지구물리학 발전 |
| 지구물리학의 응용 | |
| 자원 탐사 | 석유 및 가스 광물 지하수 |
| 자연재해 연구 | 지진 화산 쓰나미 산사태 |
| 환경 문제 연구 | 지하수 오염 지반 침하 지구 온난화 |
| 공학 및 건설 | 터널 댐 교량 고층 빌딩 |
| 연구 방법 | |
| 이론적 연구 | 수학적 모델링 및 시뮬레이션 |
| 실험실 연구 | 지구 물질의 물리적 성질 측정 |
| 현장 관측 | 지진계 중력계 자력계 GPS 위성 |
| 관련 학문 | |
| 천문학 | 우주와 천체 연구 |
| 지질학 | 지구의 구성, 구조, 역사 연구 |
| 해양학 | 해양 연구 |
| 기상학 | 대기 연구 |
| 측지학 | 지구의 모양, 크기, 중력장 연구 |
| 주요 학술 단체 | |
| 국제 지구물리학 및 측지학 연맹 (IUGG) | 국제 지구물리학 및 측지학 연맹 |
| 미국 지구물리학 연맹 (AGU) | 미국 지구물리학 연맹 |
| 유럽 지구과학 연맹 (EGU) | 유럽 지구과학 연맹 |
| 한국지구과학회 (KSEES) | 한국지구과학회 |
2. 물리적인 현상들
지구물리학은 물리학에서 연구되는 현상들이 지구 및 주변 환경과 어떻게 관련되는지를 다루는 학제적인 학문이다. 지구물리학자들은 지구과학의 모든 분야에 기여하며, 태양계 내 지구 근접 환경의 물리적 과정과 특성을 조사한다.
지구물리학에 포함되는 주요 분야는 다음과 같다:
| 분야 | 설명 |
|---|---|
| 측지학 | 지구의 형태와 특성 규명, 위성을 이용한 지각 변동 및 중력 측정.[64][65][66] |
| 지진학 | 지진 발생 메커니즘 규명, 지진파를 이용한 지구 내부 구조 추정.[67][68][69] |
| 화산학 | 화산 분출 메커니즘 규명, 물리탐사를 이용한 화산체 구조 추정.[70] |
| 기상학 | 대기권의 물리적 특성 연구. 대기역학과 관련되며, 일기예보에 응용.[71] |
| 해양물리학 | 수권의 물리적 특성 연구. 조석, 해류 연구 등.[72][73] |
| 지구전자기학 | 지구의 전자기학적 현상 연구. 지자기, 고지자기 연구 등.[74] |
넓은 의미로는 행성과학도 지구물리학에 포함되지만, 태양계 외부 천체에 관한 학문은 우주물리학 또는 물리학의 범주에 주로 포함된다.
일본의 고등학교 교육에서는 "지구과학" 과목이 지구물리학과 지질학, 암석학, 광물학, 고생물학, 지구화학 등을 포괄한다.[75][76][77] 미국의 대학교에는 지구물리학과(Department of Geophysics)가 독립적으로 존재한다.[78][79]
2. 1. 중력
반일주조의 경우 달과 태양의 중력은 매 태음일마다 각각 두 번의 썰물과 밀물을 일으킨다. 그러므로 썰물과 밀물의 시간 간격은 12시간 25분이 된다.[80]
중력은 암석에 힘을 가하여 깊이에 따라 암석의 밀도를 증감시킨다.[81] 지표면에서의 중력가속도와 중력퍼텐셜 측정은 광상 탐사(mineral exploration)에 도움을 줄 수 있다(중력 이상 참고). 또한 지표면 중력장에 대한 정보는 구조지질학의 역학 관계에 대한 단서를 제공한다. 지오이드라고도 불리는 지오퍼텐셜(geopotential)은 측지학에서 중요하게 여겨지는 지구모형의 한 가지 정의이다.
2. 2. 열류량
지구는 식어가고 있으며, 그 결과로 지구 맨틀에서 열대류가 발생한다. 그 열대류로 지오다이너모에 의한 지구 자기장과 맨틀 대류에 의한 판구조운동이 야기된다.[82] 지열의 주된 원천은 초기 지구에서부터 간직되어온 열과 방사능이다.(극히 드물긴 하지만 상전이에 의한 열도 일부 포함된다.) 열은 맨틀 열대류에 의해 코어-맨틀 경계에서 암석권의 표면까지 전달된다.[11] 맨틀플룸에 의해 맨틀 하부에서 일부 열이 상승한다. 지구 표면의 열류는 약 이며, 지열 에너지의 잠재적 원천이다.[14]
2. 3. 지진파
지진파는 지구 내부 또는 지표면을 따라 전파되는 진동이다.[15] 지구 전체는 고유모드 또는 지구의 자유 진동이라고 하는 형태로 진동할 수도 있다. 파동이나 고유모드로 인한 지반 운동은 지진계를 사용하여 측정한다. 파동이 지진이나 폭발과 같은 국지적인 원천에서 발생하는 경우, 여러 위치에서의 측정을 사용하여 원천을 찾을 수 있다. 지진의 위치는 판구조론과 맨틀 대류에 대한 정보를 제공한다.[16][17]
제어된 원천으로부터의 지진파 기록은 파동이 통과하는 지역에 대한 정보를 제공한다. 암석의 밀도나 조성이 변하면 파동이 반사된다. 반사 지진학을 사용하여 기록된 반사파는 수 킬로미터 깊이까지 지구 구조에 대한 풍부한 정보를 제공하며, 지질학적 이해를 높이고 석유와 가스를 탐사하는 데 사용된다.[18] 진행 방향의 변화, 즉 굴절은 지구의 심부 구조를 추론하는 데 사용할 수 있다.[17]
지진은 인간에게 위험을 초래한다. 지진의 종류(예: 판내부 지진 또는 심발 지진)에 따라 달라지는 지진 메커니즘을 이해하면 지진 위험을 더 잘 추정하고 내진 공학을 개선할 수 있다.[19]
2. 4. 전기 및 전자기 현상
뇌우 때 주로 관찰되는 번개 외에도, 지표면 근처에는 평균 120V/m의 하향 전기장이 항상 존재한다.[20] 행성 대기의 이온화는 은하 우주선이 대기를 통과하면서 발생하며, 이로 인해 대기는 지구 고체 표면에 비해 순 양전하를 갖게 된다.[21] 전 세계적인 회로에는 약 1800A의 전류가 흐르는데,[20] 이 전류는 지구 대부분 지역에서 전리층으로부터 아래로 흐르고, 뇌우를 통해 위로 다시 흐른다. 이러한 흐름은 구름 아래의 번개와 구름 위의 스프라이트로 나타난다.지구물리 탐사에는 다양한 전기적 방법이 사용된다. 어떤 방법은 자연적 또는 인위적 교란으로 지표면에 발생하는 자발 전위를 측정한다. 지자기 전류는 지구와 바다에 흐르는데, 이는 시간에 따라 변하는 외부 기원의 지구자기장에 의한 전자기 유도와 지구의 영구 자기장을 가로지르는 전도성 물체(예: 바닷물)의 운동, 두 가지 원인으로 발생한다.[22] 지자기 전류 밀도 분포는 지하 구조의 전기비저항 변화를 감지하는 데 사용될 수 있다. 지구물리학자들은 전류를 직접 공급할 수도 있다(유도 분극화 및 전기비저항 토모그래피 참조).
전자기파는 이온층과 자기권뿐만 아니라 지구 외핵에서도 발생한다. 새벽합창(Dawn chorus)은 반 알렌 방사선대에 갇힌 고에너지 전자에 의해 발생하는 것으로 여겨진다. 휘슬러(Whistler)는 낙뢰에 의해 생성된다. 잡음(Hiss)은 두 가지 모두에 의해 생성될 수 있다. 전자기파는 지진에 의해서도 생성될 수 있다(지진전자기학 참조).
외핵의 고전도성 액체 철에서 전자기 유도를 통한 전류에 의해 자기장이 생성된다. 알펜파(Alfvén wave)는 자기권 또는 지구 핵의 자기유체역학적 파동이다. 핵에서 이 파동은 지구 자기장에 거의 관측 가능한 영향을 미치지 않지만, 자기 로스비파(Rossby wave)와 같은 더 느린 파동은 지자기 세속 변화의 한 원인일 수 있다.[23]
지구물리 탐사에 사용되는 전자기 방법에는 일시적 전자기법, 자기지전류탐사법, 지표 핵자기 공명 및 해저 전자기 측정이 포함된다.[24]
2. 5. 자기장
지구 자기장은 치명적인 태양풍으로부터 지구를 보호하며, 오랫동안 항해에 이용되어 왔다.[23] 이는 외핵의 유체 운동에서 기원하며,[23] 상층 대기의 자기장은 오로라를 발생시킨다.[25]
지구 자기장은 대략 기울어진 쌍극자와 같지만, 시간에 따라 변화한다. (지구 자기장의 세속 변화라고 함) 대부분 지자기 극은 지리적 극 근처에 머물러 있지만, 평균 44만 년에서 100만 년 정도의 불규칙적인 간격으로 지구 자기장의 극성이 역전된다. 지구 자기 역전은 지구 자기 극성 시대 척도 내에서 분석되며, 지난 8천 3백만 년 동안 184개의 극성 간격이 존재하며, 시간에 따른 빈도 변화가 있다. 가장 최근의 짧은 완전 역전인 라샹 사건은 4만 1천 년 전 최후 빙하기 동안 발생했다. 지질학자들은 화산암에 기록된 지구 자기 역전을 관찰했으며, 고지자기층서 상관관계(자연 잔류 자화 참조)를 통해 이를 확인할 수 있으며, 해저에서 평행한 선형 자기 이상 줄무늬로 나타난다. 이러한 줄무늬는 해저 확장(판 구조론의 일부)에 대한 정량적 정보를 제공한다. 이들은 고지자기층서의 기초를 이루며, 지질 시대 척도를 구성하기 위해 다른 층서와 지구 자기 역전을 상관시킨다.[26] 또한, 암석의 자화를 사용하여 대륙의 이동을 측정할 수 있다.[23]
2. 6. 방사능
방사성 붕괴는 지구 내부 열의 약 80%를 차지하며, 지구 자기장 발생과 판구조론의 원동력이 된다.[27] 주요 열 발생 동위 원소는 칼륨-40, 우라늄-238, 우라늄-235, 토륨-232이다.[28] 방사성 원소는 방사성 동위원소 연대 측정에 사용되며, 이는 지질 연대학에서 절대적 시간 척도를 설정하는 주요 방법이다.불안정한 동위원소는 예측 가능한 속도로 붕괴되며, 서로 다른 동위 원소의 붕괴 속도는 여러 단위 크기만큼 다르기 때문에, 방사성 붕괴는 최근 사건과 과거 지질 시대의 사건 모두를 정확하게 측정하는 데 사용될 수 있다.[29] 지표면 근처의 방사성 동위원소 농도와 분포를 측정하는 지상 및 항공 감마선 분광법을 이용한 방사성 동위원소 매핑은 암석 종류와 변질 작용을 측정하는 데 유용하다.[30][31]
2. 7. 유체 역학
지구물리 유체역학은 지구 자기권, 대기, 해양, 맨틀 및 핵에서 발생하는 유체 운동을 다룬다. 매우 큰 점성을 가진 맨틀조차 오랜 시간 동안 유체처럼 흐르며, 이는 균형면(isostasy), 빙하기 이후 융기(post-glacial rebound), 맨틀 플룸(mantle plume)과 같은 현상으로 나타난다. 맨틀 흐름은 판 구조론을 일으키고, 지구 핵의 흐름은 지구 자기장을 생성한다.[23]지구물리 유체역학은 물리 해양학과 기상학의 주요 도구이다. 지구의 자전은 코리올리 효과를 통해 지구 유체역학에 큰 영향을 미친다. 대기에서는 로스비 파(Rossby waves)와 같은 대규모 패턴을 생성하고 폭풍의 기본 순환 패턴을 결정한다. 해양에서는 대규모 순환 패턴뿐만 아니라 해수면의 켈빈 파(Kelvin waves)와 에크만 나선(Ekman spirals)을 일으킨다.[32] 지구 핵에서는 용융된 철의 순환이 테일러 기둥(Taylor columns)에 의해 구조화된다.[23]
자기권의 파동 및 기타 현상은 자기유체역학(magnetohydrodynamics)을 사용하여 모델링할 수 있다.
2. 8. 광물 물리학
광물물리학은 지구 내부의 구성을 지진학, 지열구배 및 기타 정보 출처로부터 추론하기 위해 광물의 물리적 특성을 연구하는 학문이다. 광물물리학자들은 광물의 탄성 특성, 고압 상평형 그림, 녹는점 및 고압에서의 상태 방정식, 그리고 암석의 유변학적 특성(흐름 능력)을 연구한다. 크리프에 의한 암석의 변형은 흐름을 가능하게 하지만, 짧은 시간 동안에는 암석이 취성을 띤다. 암석의 점성은 온도와 압력의 영향을 받으며, 이는 다시 판구조론적 판의 이동 속도를 결정한다.[10]3. 지구의 영역
지구물리학은 지구의 형태와 특성을 밝히는 측지학, 지진 발생 메커니즘을 연구하는 지진학, 화산 분출을 다루는 화산학 등을 포함한다.[64][65][66][67][68][69][70] 또한 대기권의 물리적 특성을 연구하는 기상학, 수권의 물리적 특성을 다루는 해양물리학, 지구의 전자기학적 현상을 연구하는 지구전자기학도 지구물리학의 분야이다.[71][72][73][74]
넓은 의미에서 행성과학도 지구물리학에 포함되지만, 태양계 외부 천체에 관한 학문은 우주물리학 또는 물리학의 범주로 분류하는 경우가 많다.
일본의 고등학교 교육 과정에는 "지구과학"이라는 과목이 있는데,[75][76][77] 이는 지구물리학과 화학·생물학적 방법을 사용하는 학문(지질학, 암석학, 광물학, 고생물학, 지구화학 등)으로 나눌 수 있다. 미국의 대학교에는 지구물리학과(Department of Geophysics)가 독립적으로 존재한다.[78][79]
3. 1. 지구의 크기와 형태
중력은 암석에 힘을 가하여 깊이에 따라 암석의 밀도를 증감시킨다.[81] 지표면에서의 중력가속도와 중력퍼텐셜의 측정은 광상탐사(mineral exploration)에 도움을 줄 수 있다(중력 이상 참고). 또한 지표면 중력장에 대한 정보는 구조지질학의 역학관계에 대한 단서를 제공한다. 지오이드라고도 불리는 지오퍼텐셜(geopotential)은 측지학에서 중요하게 여겨지는 지구모형의 하나의 정의가 된다.
일반적인 생각과는 달리 지구는 완벽한 구가 아니고, 지구의 끊임없는 자전으로 인해 발생하는 원심력 때문에 타원체 모양을 하고 있다.[36] 이러한 힘 때문에 지구의 지름은 적도 쪽으로 부풀어 오르고 타원체 모양이 된다.[36] 지구의 모양은 끊임없이 변하고 있으며, 빙하 등지반융기(거대한 빙상이 녹으면서 지구 지각에 가해지던 압력이 해제되어 지각이 융기하는 현상[37]), 산이나 해구와 같은 지질학적 특징, 판구조론적 역학, 그리고 자연재해 등의 여러 요인이 지구의 모양을 더욱 변형시킬 수 있다.[36]
3. 2. 지구 내부 구조
지진학, 지표면의 열류, 광물 물리학에서 얻은 증거는 지구의 질량 및 관성 모멘트와 결합하여 지구 내부의 구성, 밀도, 온도, 압력을 추론하는 데 사용된다. 예를 들어, 지구의 평균 비중()은 지표면 암석의 일반적인 비중()보다 훨씬 높아, 깊은 곳의 물질이 더 밀도가 높다는 것을 의미한다. 이는 지구의 낮은 관성 모멘트(, 일정한 밀도를 가진 구체의 와 비교)에서도 확인할 수 있다. 그러나 밀도 증가의 일부는 지구 내부의 엄청난 압력으로 인한 압축 때문이다. 압력의 영향은 애덤스-윌리엄슨 방정식을 사용하여 계산할 수 있다. 결론적으로 압력만으로는 밀도 증가를 완전히 설명할 수 없으며, 지구 핵은 철과 다른 광물 합금으로 구성되어 있다.[10]지구 내부 깊은 곳의 지진파 재구성은 외핵에 S파가 없음을 보여준다. 액체는 전단력을 지탱할 수 없기 때문에 외핵은 액체이다. 이 고전도성 유체의 운동은 지구 자기장을 생성한다. 반면 지구 내핵은 엄청난 압력으로 인해 고체 상태이다.[38]
지진 반사파 재구성은 내핵, 외핵, 맨틀, 암석권, 지각 등 지구 주요 영역을 구분하는 지진 속도의 주요 불연속성을 나타낸다. 맨틀은 상부 맨틀, 전이대, 하부 맨틀, ''D′′'' 층으로 나뉜다. 지각과 맨틀 사이에는 모호로비치치 불연속면이 존재한다.[38]
지구의 지진 모델만으로는 층의 구성을 결정할 수 없다. 완전한 지구 모델을 위해서는 광물 물리학을 통해 지진 속도를 구성 물질로 해석해야 한다. 광물 특성은 온도에 따라 달라지므로 지온도 결정해야 한다. 이를 위해 열전도, 대류에 대한 물리 이론과 방사성 원소의 열 기여가 필요하다. 지구 내부 방사상 구조에 대한 주요 모델은 예비 참조 지구 모델(PREM)이다. 이 모델의 일부는 광물 물리학의 최근 발견( 후페로브스카이트 참조)에 따라 업데이트되었고, 지진 토모그래피로 보완되었다. 맨틀은 주로 규산염으로 구성되며, 맨틀 층 사이 경계는 상전이와 일치한다.[10]
맨틀은 지진파에 대해서는 고체처럼 작용하지만, 높은 압력과 온도에서 수백만 년에 걸쳐 액체처럼 변형된다. 이것이 판구조론을 가능하게 한다.
3. 3. 지구 자기권
행성의 자기장이 충분히 강하면 태양풍과의 상호작용으로 자기권이 형성된다. 초기 우주 탐사선들은 지구 자기장의 대략적인 크기를 측정했는데, 태양 쪽으로 약 10 지구 반지름까지 뻗어 있다. 하전 입자의 흐름인 태양풍은 지구 자기장을 따라 흐르고, 수백 지구 반지름 하류의 자기 꼬리 뒤쪽으로 계속된다. 자기권 내부에는 반 알렌 방사선대라고 불리는 비교적 밀도가 높은 태양풍 입자 영역이 있다.[25]4. 지구 물리학의 방법
지구물리학은 물리학적 방법을 사용하여 지구의 형태, 특성, 내부 구조 및 현상을 연구하는 학문이다. 지구물리학은 다음과 같은 다양한 분야를 포함한다.
| 분야 | 내용 |
|---|---|
| 측지학 | 지구 형태 및 특성 연구, 위성을 이용한 지각 변동 및 중력 측정.[64][65][66] |
| 지진학 | 지진 발생 메커니즘 규명, 지진파를 이용한 지구 내부 구조 추정.[67][68][69] |
| 화산학 | 화산 분출 메커니즘 규명, 물리탐사를 이용한 화산체 구조 추정.[70] |
| 기상학 | 대기권의 물리적 특성 연구. 일기예보는 중요한 응용 분야.[71] |
| 해양물리학 | 수권의 물리적 특성 연구. 조석, 해류 등 연구.[72][73] |
| 지구전자기학 | 지구의 전자기학적 현상 연구. 지자기, 고지자기 등 연구.[74] |
넓은 의미에서 행성과학도 지구물리학에 포함되지만, 태양계 외부 천체는 우주물리학 또는 물리학 범주에 속하는 경우가 많다.
일본 고등학교 교육 과정에는 "지구과학" 과목이 있으며,[75][76][77] 지구물리학은 이 과목의 한 분야이다. 미국 대학교에는 지구물리학과(Department of Geophysics)가 독립적으로 존재한다.[78][79]
4. 1. 측지학
지구물리학적 측정은 일반적으로 특정 시간과 장소에서 이루어진다. 위치의 정확한 측정과 함께 지구 변형 및 중력은 측지학의 영역이다. 측지학과 지구물리학은 별개의 분야이지만, 두 분야는 매우 밀접하게 연결되어 있어 미국 지구물리학 연합, 캐나다 지구물리학 연합, 국제 지구측지 및 지구물리학 연합과 같은 많은 과학 단체들이 두 분야를 모두 포함한다.[39]절대 위치는 가장 자주 GPS를 사용하여 결정된다. 3차원 위치는 4개 이상의 보이는 위성에서 보낸 메시지를 사용하여 계산되며 1980 지구측지기준계를 참조한다. 대안으로, 광학 천문학은 천문 좌표와 국지 중력 벡터를 결합하여 지구 좌표를 얻는다. 이 방법은 두 좌표에서만 위치를 제공하며 GPS보다 사용하기 어렵다. 그러나 이것은 장동과 챈들러 요동과 같은 지구의 운동을 측정하는 데 유용하다. 두 개 이상의 점의 상대적 위치는 초장기선 간섭계를 사용하여 결정할 수 있다.[39][40][41]
중력 측정은 지구 표면의 측정값을 기준 좌표계에 관련시키는 데 필요했기 때문에 측지학의 일부가 되었다. 육상 중력 측정은 표면이나 헬리콥터 상공 비행에서 배치된 중력계를 사용하여 수행할 수 있다. 1960년대 이후로 지구의 중력장은 위성의 운동을 분석하여 측정되었다. 해수면 또한 레이더 고도측량을 사용하는 위성으로 측정하여 더 정확한 지오이드에 기여한다.[39] 2002년, NASA는 중력 회복 및 기후 실험(GRACE)을 시작했다. 이 실험에서는 두 개의 쌍둥이 위성이 GPS와 마이크로파 거리 측정 시스템을 사용하여 두 위성 사이의 거리를 측정함으로써 지구 중력장의 변화를 매핑한다. GRACE에 의해 감지된 중력 변화에는 해류의 변화, 유출 및 지하수 고갈, 녹는 빙상 및 빙하로 인한 변화가 포함된다.[42]
지표면에서의 중력가속도와 중력퍼텐셜의 측정은 광상탐사(mineral exploration)에 도움을 줄 수 있다(중력 이상 참고). 또한 지표면 중력장에 대한 정보는 구조지질학의 역학관계에 대한 단서를 제공한다. 지오이드라고도 불리는 지오퍼텐셜(geopotential)은 측지학에서 중요하게 여겨지는 지구모형의 하나의 정의가 된다.
4. 2. 인공위성 및 우주 탐사
인공위성은 가시광선 영역뿐만 아니라 다른 전자기 스펙트럼 영역의 데이터도 수집할 수 있게 했다. 행성은 중력과 자기장이라는 힘의 장으로 특징지을 수 있으며, 이는 지구물리학과 우주 물리학을 통해 연구된다.우주선이 궤도를 돌 때 경험하는 가속도 변화를 측정함으로써 행성의 중력장 세부 사항을 지도로 만들 수 있었다. 예를 들어, 1970년대에는 달 궤도선을 통해 달의 바다 위의 중력장 변화를 측정하여 임브리움(Mare Imbrium), 세레니타티스(Mare Serenitatis), 크리시움(Mare Crisium), 넥타리스(Mare Nectaris), 후무룸(Mare Humorum) 분지 아래에 질량 농축체인 매스콘(mascons)이 있음을 발견했다.[43]
4. 3. 전지구 위치결정 시스템 (GPS) 및 지리 정보 시스템 (GIS)
지구물리학은 지구의 형태와 지구 내부 및 주변 지형의 매핑과 관련이 있으므로, 지구물리 측정에는 고정밀 GPS 측정이 포함된다. 이러한 측정값은 차분 GPS 처리를 통해 정확도를 높인다. 지구물리 측정이 처리되고 역산된 후, 해석된 결과는 GIS를 사용하여 도시된다. ArcGIS 및 지오소프트(Geosoft)와 같은 프로그램은 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 개발되었으며, 상향 연속 및 1차 수직 도함수와 같은 측정 도함수 계산과 같은 많은 지구물리 기능이 내장되어 있다.[18][44] 많은 지구물리 회사는 ArcGIS 및 GeoSoft보다 앞서 지구물리 데이터 세트의 시각화 요구 사항을 충족하기 위해 자체 지구물리 프로그램을 설계했다.4. 4. 원격 탐사
탐사 지구물리학은 지구물리학의 한 분야로, 다양한 에너지, 광물 및 수자원을 조사하기 위해 지진파 또는 전자기 방법을 개발하고 활용하는 것을 포함한다.[45] 이는 위성, 항공기, 선박, 무인 항공기(드론), 시추공 센싱 장비 및 지진파 수신기와 같은 다양한 원격탐사 플랫폼을 사용하여 수행된다. 이러한 장비는 종종 데이터를 수집하기 위해 자력, 중력측정, 전자기, 방사선 측정, 기압 측정 방법과 같은 다양한 지구물리학적 방법과 함께 사용된다. 탐사 지구물리학에 사용되는 원격탐사 플랫폼은 완벽하지 않으므로 플랫폼 자체가 수집된 데이터에 미칠 수 있는 영향을 정확하게 고려하기 위해 조정이 필요하다. 예를 들어, 기존의 고정익 항공기를 사용하여 항공 자력 탐사 데이터(항공기에서 수집한 자력 데이터)를 수집할 때, 플랫폼은 지구 자기장을 통과할 때 생성될 수 있는 전자기 전류를 고려하도록 조정해야 한다.[18] 또한 지구가 자전하고, 지구가 태양 주위를 공전하고, 달이 지구 주위를 공전함에 따라 측정된 위치장 강도의 변화와 관련된 보정도 있다.[18][46]4. 5. 신호 처리
지구물리 측정은 종종 시계열 데이터와 GPS 위치 정보를 함께 기록한다. 신호 처리는 항공기 진동과 같이 측정 플랫폼에서 발생하는 원치 않는 잡음이나 오류(중력 데이터의 경우)를 시계열 데이터에서 보정하는 작업을 포함한다. 또한 자기 데이터에서 일주기 보정과 같이 잡음의 원인을 줄이는 작업도 포함한다.[18][47] 지진, 전자기, 중력 데이터에서 오류를 수정한 후에는 계산 지구물리학을 포함하는 처리가 계속되어, 최종적으로 지구물리 데이터를 지질학적 해석으로 해석하게 된다.[18][48]5. 지구 물리학의 역사
지구물리학은 19세기에 물리 지리학, 지질학, 천문학, 기상학, 그리고 물리학의 교차점에서 별개의 학문으로 등장했다.[49][50] "지구물리학"이라는 단어는 1834년 율리우스 프뢰벨이 독일어("Geophysik")로 처음 사용했다.[51] 그러나 지구 자기장이나 지진과 같은 많은 지구물리학적 현상들은 고대부터 연구되어 왔다.
5. 1. 고대 및 고전 시대
기원전 4세기부터 중국에는 자기 나침반이 존재했다. 이는 육상 항해뿐만 아니라 풍수에도 사용되었다. 바다 항해에 나침반을 사용하게 된 것은 양질의 강철 바늘을 만들 수 있게 된 이후였다. 그 이전에는 자성을 오래 유지할 수 없어서 실용적이지 않았다. 유럽에서 나침반이 처음 언급된 것은 1190년경이다.[52]
기원전 240년경, 키레네의 에라토스테네스는 지구가 둥글다는 것을 추론하고 지구의 둘레를 매우 정확하게 측정했다.[53] 그는 위도와 경도의 체계를 개발했다.[54]
지진학에 대한 최초의 기여는 아마도 132년경 다작의 발명가 장형이 발명한 지진계일 것이다.[55] 이 기구는 용의 입에서 개구리의 입으로 청동 공을 떨어뜨리도록 설계되었다. 어떤 개구리가 공을 가지고 있는지 살펴봄으로써 지진의 방향을 알 수 있었다. 유럽에서 최초의 지진계 설계가 장 드 라 오트외유에 의해 발표되기까지는 1571년이 더 걸렸다. 하지만 실제로 제작되지는 않았다.[56]
5. 2. 근대 과학의 시작
17세기는 근대 과학이 시작된 중요한 시기였다. 1600년, 윌리엄 길버트는 《De Magnete》(1600)라는 책을 발표했는데, 이 책에서 자연 자석(로드스톤)과 인공적으로 자화된 철에 대한 실험 결과를 다루었다.[57] 그는 작은 나침반 바늘(versorium)이 구형 자석에 노출되었을 때 자기적 거동을 보이고, 수평축에서 회전할 때 '자기 경사'를 경험한다는 것을 관찰했다.[57] 이를 통해 지구 자체가 거대한 자석이기 때문에 나침반이 북쪽을 가리킨다는 결론을 내렸다.[57]1687년, 아이작 뉴턴은 《프린키피아》를 발표하여 천문학과 물리학과 같은 근대 과학 분야 발전에 핵심적인 역할을 했다.[58] 이 책에서 뉴턴은 고전 역학과 중력의 기초를 세웠을 뿐만 아니라, 세차 운동(황도축을 따라 전체 별자리 패턴이 이동하는 현상)과 같은 다양한 지구물리적 현상을 설명했다.[59] 뉴턴의 중력 이론은 큰 성공을 거두었고, 당시 물리학의 주요 목표는 자연의 기본적인 힘과 법칙을 밝히는 것이 되었다.[58]
최초로 지진 활동을 지속적으로 기록할 수 있는 지진계는 1844년 제임스 포브스에 의해 만들어졌다.[56]
6. 지구 물리학의 주요 분야 (일본의 분류)
일본의 고등학교까지의 교육에서는 "지구과학"이라는 과목이 존재하는데,[75][76][77] 이를 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 지구물리학은 그 중 하나로 생각하면 된다.
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